JP6908713B2 - 複合焼結体 - Google Patents

Description

本発明は、複合焼結体に関する。本出願は、２０１７年８月２４日に出願した日本特許出願である特願２０１７−１６１３４９号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。

特開２００５−２３９４７２号公報（特許文献１）は、平均粒径が２μｍ以下の焼結ダイヤモンド粒子と、残部の結合相とを備えた高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体であって、ダイヤモンド焼結体中の焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９８体積％以下であり、結合相中の含有率が０．５質量％以上５０質量％未満であるチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、およびモリブデンからなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素と、結合相中の含有率が５０質量％以上９９．５質量％未満であるコバルトとを結合相は含み、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、およびモリブデンからなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素の一部または全部が平均粒径０．８μｍ以下の炭化物粒子として存在し、炭化物粒子の組織は不連続であり、隣り合う焼結ダイヤモンド粒子同士は互いに結合している高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体を開示する。

特開平９−３１６５８７号公報（特許文献２）は、焼結ダイヤモンド粒子と、残部として結合材とを含み、焼結ダイヤモンド粒子は０．１〜４μｍの範囲内の粒径を有し、結合材はＦｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１つの鉄族金属を含み、酸素含有量が０．０１〜０．０８重量％の範囲内である高強度微粒ダイヤモンド焼結体を開示する。

特開平１−１７８３６号公報（特許文献３）は、体積で６〜０．１％の周期律表第４ａ，５ａまたは６ａ族の遷移金属、ホウ素、もしくはシリコンが均一にコーティングされたダイヤモンド原料紛体粒子を超高圧高温下で焼結せしめてなる焼結体により構成され、ダイヤモンドを体積で９４〜９９．８％含有し、残部が上記コーティング材料の炭化物からなるダイヤモンド焼結体を開示する。

特表２０１４−５３１９６７号公報（特許文献４）は、複数の一体になるように結合されたダイヤモンド結晶粒およびダイヤモンド結晶粒の間の間隙領域を含む材料ミクロ構造を含む多結晶質ダイヤモンド本体と、タングステンおよび触媒金属を含む基板と、多結晶質ダイヤモンド本体と基板との間にある、タングステンおよび触媒金属が散在する複数のチタン含有粒子を含む結晶粒成長阻止剤層と、を含み、チタン含有粒子はそのサイズが８００ｎｍ未満であり、結晶粒成長阻止剤層は、その両面が基板と多結晶質ダイヤモンド本体とに結合され、厚さが約２０〜１００μｍであり、ダイヤモンド結晶粒は約１μｍ以下の平均サイズを有する多結晶質ダイヤモンドコンパクトを開示する。

国際公開第２００７／０３９９５５号（特許文献５）は、体積％で６０％以上９５％以下のｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）成分を有し、かつ熱伝導率が７０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上のｃＢＮ焼結体の最表面が、４ａ，５ａ，６ａ族元素、およびＡｌの中から選択される少なくとも１種以上の元素と、Ｃ，Ｎ，Ｏの中から選択される少なくとも１種以上の元素の化合物からなる０．５μｍ〜１２μｍの厚みを有する耐熱膜で被覆されている高品位表面性状加工用ｃＢＮ焼結体を開示する。

国際公開第２００５／０６６３８１号（特許文献６）は、ｃＢＮ粒子とかかるｃＢＮ粒子を結合するための結合材とを含む立方晶型窒化ホウ素焼結体において、７０体積％以上９８体積％以下のｃＢＮ粒子と、残部結合材がＣｏ化合物、Ａｌ化合物、ＷＣおよびこれらの固溶体からなり、焼結体中のｃＢＮ粒子がＭｇを０．０３重量％以下、かつＬｉを０．００１重量％以上０．０５重量％以下含有する立方晶型窒化ホウ素焼結体を開示する。

特開２００５−２３９４７２号公報 特開平９−３１６５８７号公報 特開平１−１７８３６号公報 特表２０１４−５３１９６７号公報 国際公開第２００７／０３９９５５号 国際公開第２００５／０６６３８１号

本開示の複合焼結体は、複数のダイヤモンド粒子と複数の立方晶窒化ホウ素粒子と残部の結合相とを備える複合焼結体であって、結合相はコバルトを含み、複合焼結体中における立方晶窒化ホウ素粒子の含有率は３体積％以上４０体積％以下であり、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続した立方晶窒化ホウ素を横切る線分の平均長さは、立方晶窒化ホウ素の平均粒径の３倍の長さ以下である。

図１は、本発明の一態様に係る複合焼結体のある断面の電子顕微鏡写真の一例を示す図である。

[本開示が解決しようとする課題]
近年の航空機需要の高まりから、インコネル７１８（Ｎｉ基合金）やＴｉ−６Ａｌ−４Ｖに代表される耐熱合金で構成されるジェットエンジンの主要部品であるタービンディスクやブリスクの高速加工が望まれているが、現状は、超硬工具で切削速度５０ｍ／ｍｉｎ程度の低速での仕上げ加工がなされており、高速加工という市場の要求を満たす工具は現れていない。

特開２００５−２３９４７２号公報（特許文献１）、特開平９−３１６５８７号公報（特許文献２）、特開平１−１７８３６号公報（特許文献３）および特表２０１４−５３１９６７号公報（特許文献４）に開示のダイヤモンド焼結体は、それらの主成分であるダイヤモンドが鉄族元素（周期律表上で第４周期の第８、９および１０族の元素、すなわち、鉄、コバルトおよびニッケルの３つの元素の総称。以下同じ。）および／またはチタンを含む合金と親和性が極めて高いため反応性が高く、空気中６００℃以上で炭化が始まり硬度が低下し、空気中８００℃以上では燃焼することから、熱的化学安定性に劣るため、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工に使用しないのが常識である。

国際公開第２００７／０３９９５５号（特許文献５）および国際公開第２００５／０６６３８１号（特許文献６）に開示の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体は、それらの主成分であるｃＢＮが鉄族元素および／またはチタンを含む合金と親和性が低く、鉄族元素および／またはチタンを含む合金で形成される耐熱合金の高速加工においても高い耐摩耗性を示す。しかしながら、ｃＢＮ焼結体は、耐欠損性が低いことから、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工において早期にチッピングが発生するため、工具として実用的な寿命が得られていない。

そこで、上記問題を解決して、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工にも適用可能で、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を提供することを目的とする。

[本開示の効果]
本開示によれば、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工にも適用可能で、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を提供できる。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

［１］本発明の一実施形態に係る複合焼結体は、複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、結合相はコバルトを含み、複合焼結体中における立方晶窒化ホウ素粒子の含有率は３体積％以上４０体積％以下であり、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続した立方晶窒化ホウ素粒子を横切る線分の平均長さは、立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径の３倍の長さ以下である。本実施形態の複合焼結体は、ダイヤモンド粒子とコバルトを含む結合相とからなる骨格構造により耐欠損性が高められ、かかる骨格構造中に分散した立方晶窒化ホウ素粒子により耐摩耗性が高められるため、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

［２］本実施形態の複合焼結体において、複合焼結体を通る任意に特定される直線がダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相を横切る線分の平均長さを、０．３μｍ以上５μｍ以下とすることができる。かかる複合焼結体は、ダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域の大きさの平均が所定の範囲内であることにより、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

［３］本実施形態の複合焼結体において、複合焼結体を通る任意に特定される直線がダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相を横切る線分の長さの標準偏差を、３．０μｍ以下とすることができる。かかる複合焼結体は、ダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域の厚さの標準偏差が小さいため、換言すれば、ダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相に立方晶窒化ホウ素粒子が均一に分散しているため、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

［４］本実施形態の複合焼結体において、立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径を０．２μｍ以上２μｍ以下とすることができる。かかる複合焼結体は、立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径が所定の範囲内にあることにより、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備えやすい。

［５］本実施形態の複合焼結体において、ダイヤモンド粒子の平均粒径を０．５μｍ以上５μｍ以下とすることができる。かかる複合焼結体は、ダイヤモンド粒子の平均粒径が所定の範囲内にあることにより、耐欠損性が特に高い。

［６］本実施形態の複合焼結体は、複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、結合相はコバルトを含み、複合焼結体中における立方晶窒化ホウ素粒子の含有率は３体積％以上４０体積％以下であり、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続した立方晶窒化ホウ素粒子を横切る線分の平均長さを立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径の３倍の長さ以下とし、複合焼結体を通る任意に特定される直線がダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相を横切る線分について、それらの平均長さを０．３μｍ以上５μｍ以下とし、それらの標準偏差を３．０μｍ以下とし、立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径を０．２μｍ以上２μｍ以下とし、ダイヤモンド粒子の平均粒を０．５μｍ以上５μｍ以下とすることができる。かかる複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

[本発明の実施形態の詳細]
＜複合焼結体＞
本実施形態に係る複合焼結体は、複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、結合相はコバルトを含み、複合焼結体中におけるｃＢＮ粒子の含有率は３体積％以上４０体積％以下であり、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続したｃＢＮ粒子を横切る線分の平均長さは、ｃＢＮ粒子の平均粒径の３倍の長さ以下である。本実施形態の複合焼結体は、ダイヤモンド粒子とコバルトを含む結合相とからなる骨格構造により耐欠損性が高められ、かかる骨格構造中に分散したｃＢＮ粒子により耐摩耗性が高められるため、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

本発明者らは、ｃＢＮ焼結体で切削工具の１種であるエンドミルを形成して、鉄族元素を含む耐熱合金（たとえばインコネル（登録商標）７１８）を加工した際に、刃先にチッピングが発生する直前のエンドミルを観察したところ、刃先がエンドミル内部に発生した亀裂がｃＢＮ粒子を貫通していることを見出した。これにより、鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金を加工するための工具としては、ｃＢＮ粒子自体の靭性および強度が不足しており、従来のｃＢＮ焼結体の改良の延長線上では大幅な性能向上が見込めないことが分かった。

次いで、本発明者らは、エンドミルによる鉄族元素および／またはチタンを含む耐熱合金の高速加工において１刃当たりの切削距離が短く刃先温度が上昇しにくいと考えて、常識的には使用を避けるダイヤモンド焼結体でエンドミルを形成して、鉄族元素を含む耐熱合金（たとえばインコネル（登録商標）７１８）を加工した。その結果、ダイヤモンド焼結体で形成されたエンドミルは、ｃＢＮ焼結体で形成されたエンドミルで散発するチッピングは発生しなかったが、ｃＢＮ焼結体で形成されたエンドミルに比べて摩耗速度が高く、実用的な寿命が得られなかった。

そこで、耐摩耗性に優れるＣＢＮ粒子と耐欠損性に優れるダイヤモンド粒子の複合化を検討した。その結果、ダイヤモンド粒子と結合材からなる焼結体中にｃＢＮ粒子をできるだけ分散させた状態かつ均一に配置することで、実際のエンドミル加工で、ダイヤモンド粒子による耐欠損性を維持したまま、耐摩耗性が大幅に向上する複合焼結体を得ることに成功した。

（ダイヤモンド粒子）
ダイヤモンド粒子の平均粒径は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備え、特に耐欠損性の高い複合焼結体を得る観点から、０．５μｍ以上５μｍ以下が好ましく、０．８μｍ以上２μｍ以下がより好ましい。ここで、ダイヤモンド粒子の平均粒径は、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ：Cross section Polisher）装置などを用いたＣＰ加工により複合焼結体の任意に特定される断面を作製し、その断面においてＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりダイヤモンド粒子を判別し、ダイヤモンド粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、画像解析ソフトを用いて粒子１個ごとの断面積から円相当径とその平均を算出し、平均粒径とする。ここで、平均を算出するダイヤモンド粒子のｎ数は５０とする。

複合焼結体中におけるダイヤモンド粒子の含有率は、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して連続したダイヤモンド粒子からなる骨格構造を形成するのに適する観点から、３０体積％以上９４体積％以下が好ましく、５０体積％以上７０体積％以下がより好ましい。ここで、複合焼結体中におけるダイヤモンド粒子の含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面において、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりダイヤモンド粒子を判別し、ダイヤモンド粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、その断面の全面積に対するダイヤモンド粒子の断面積の面積％を体積％とみなすことにより算出する。

ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）粒子の平均粒径は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を得る観点から、０．２μｍ以上２μｍ以下が好ましく、０．５μｍ以上１μｍ以下がより好ましい。ここで、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、ダイヤモンド粒子の場合と同様に、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ：Cross section Polisher）装置などを用いたＣＰ加工により複合焼結体の任意に特定される断面を作製し、その断面においてＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりｃＢＮ粒子を判別し、ｃＢＮ粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、画像解析ソフトを用いて粒子１個ごとの断面積から円相当径とその平均を算出し、平均粒径とする。ここで、平均を算出するｃＢＮ粒子のｎ数は５０とする。

複合焼結体中におけるｃＢＮ粒子の含有率は、ダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子および結合相にｃＢＮ粒子を分散させるのに適しており高耐摩耗性および高耐久性をバランス良く兼ね備える複合焼結体を得る観点から、３体積％以上４０体積％以下であり、１０体積％以上３０体積％以下がより好ましく。ここで、複合焼結体中におけるｃＢＮ粒子の含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面において、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりｃＢＮ粒子を判別し、ｃＢＮ粒子が複合焼結体中に均質に分散しているとして、その断面の全面積に対するｃＢＮ粒子の断面積の面積％を体積％とみなすことにより算出する。

複合焼結体の任意に特定される断面において、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続したｃＢＮ粒子を横切る線分の平均長さは、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を得る観点から、ｃＢＮ粒子の平均粒径の３倍の長さ以下であり、好ましくはｃＢＮ粒子の平均粒径の長さ以下である。ここで、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続したｃＢＮ粒子を横切る線分とは、たとえば、図１に示す複合焼結体のある断面における線分Ａ−Ａ'を示す。図１において、黒色、灰色、および白色の部分が存在するが、灰色の部分がｃＢＮ粒子の部分である。

複合焼結体において、ダイヤモンド粒子からなる骨格構造は、Ｃｏを含む結合相により形成することができ強固な結合力を示すが、ｃＢＮ粒子同士あるいはＣｏを含む結合相とｃＢＮ粒子との結合力が弱い。そのため、ｃＢＮ粒子の凝集体（たとえば平均粒径ＸμｍのｃＢＮ粒子が９個凝集して形成される１辺が３Ｘμｍより大きいｃＢＮ粒子凝集体）が点在している状態では、そこが焼結体強度の弱い部分になり、断続切削のような負荷のかかる試験では突発欠損による短寿命の原因となる。そこで、ｃＢＮ粒子の平均粒径がＸμｍである複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続したｃＢＮ粒子を横切る線分の平均長さが３Ｘμｍ（すなわちｃＢＮ粒子の平均粒径の３倍の長さ）以下である複合焼結体は、高耐欠損性および高耐摩耗性を兼ね備える。さらに、ｃＢＮ粒子の平均粒径がＸμｍである複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続したｃＢＮ粒子を横切る線分の平均長さがＸμｍ（すなわちｃＢＮ粒子の平均粒径の長さ）以下である複合焼結体は、ｃＢＮ粒子が１つずつ分散している状態に近くなるので、耐欠損性がより高くなるため、好ましい。

複合焼結体の任意に特定される断面において、複合焼結体を通る任意に特定される直線がダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相を横切る線分の平均長さは、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を得る観点から、０．３μｍ以上５μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以上３μｍ以下がより好ましい。複合焼結体において、ｃＢＮ粒子によって分断されるダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域の大きさの平均（線分の平均長さに相当）が０．３μｍ以上５μｍ以下の範囲内であることで、高耐欠損性および高耐摩耗性を両立できる。ダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域の大きさの平均が０．３μｍ以上であることで、その微小領域の強度が十分となり複合焼結体全体として十分な強度を有する。一方、ダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域が大きくなりすぎると、耐摩耗性のない領域が多くなり耐摩耗性が低下する。

ダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子とそれに隣接する結合相の領域の大きさの平均は、ダイヤモンド粒子および結合相の量、ダイヤモンド粒子と結合相の凝集の大きさ、ダイヤモンド粒子および結合相を分断するｃＢＮ粒子凝集体の数によって決まる。ダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の大きさの平均が小さすぎると、ダイヤモンド粒子からなる骨格構造による強度が保てなくなり短寿命となるため、平均０．３μｍ以上が必要である。一方、ダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の大きさの平均が５μｍ以上になる場合は、耐摩耗性の低い微小領域が多くなり摩耗面の凹凸差からチッピングが生じやすくなり、平滑に摩耗していく場合よりも短寿命となる。

複合焼結体の任意に特定される断面において、複合焼結体を通る任意に特定される直線がダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相を横切る線分の長さの標準偏差は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を得る観点から、３．０μｍ以下が好ましく、２．０μｍ以下がより好ましい。ここで、複合焼結体を通る任意に特定される直線がダイヤモンド粒子を横切る線分とは、たとえば図１に示す複合焼結体のある断面における線分Ｂ−Ｂ'を示し、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続したダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相を横切る線分とは、たとえば図１に示す複合焼結体のある断面における線分Ｃ−Ｃ'を示す。図１において、黒色、灰色、および白色の部分が存在するが、黒色の部分がダイヤモンド粒子の部分であり、白色の部分が結合相の部分である。

ダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域の大きさ（線分の長さに相当）の標準偏差（ばらつき）は、ｃＢＮ粒子の凝集体がダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域の中での分散の程度により決まる。ダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域の大きさの標準偏差が小さいほど、ｃＢＮ粒子がダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域の中で均一に分散していることを意味する。

（結合相）
結合相は、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部を互いに結合させる観点から、Ｃｏ（コバルト）を含む。複合焼結体中におけるＣｏの含有率は、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部を互いに結合させる観点から、３体積％以上３０体積以下が好ましく、１０体積％以上２０体積％以下がより好ましい。ここで、複合焼結体中におけるＣｏの含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面において、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）によりＣｏを判別し、Ｃｏが複合焼結体中に均質に分散しているとして、その断面の全面積に対するＣｏと判別される断面積の面積％を体積％とみなすことにより算出する。

結合相は、複合焼結体の強度を高くする観点から、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｎｉ（ニッケル）およびモリブデン（Ｍｏ）からなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分をさらに含むことが好ましい。結合相中におけるＣｏの含有率は、隣り合うダイヤモンド粒子の少なくとも一部を互いに結合させて複合焼結体の強度を高くする観点から、５０質量％以上９９．５質量％以下が好ましく、５５質量％以上７０質量％以下がより好ましい。また、複合焼結体の強度を高くする観点から、結合相中における上記化学成分（Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、ＮｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分）の含有率は、０．５質量％以上５０質量％以下が好ましく、３０質量％以上４５質量％以下がより好ましい。結合相中におけるＣｏおよび上記化学成分の含有率は、複合焼結体の任意に特定される断面をＣＰ処理して、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）の定量分析により測定されたＣｏと化学成分との質量比をとることにより算出する。

複合焼結体の耐摩耗性を高くする観点から、結合相中に含まれる上記化学成分（Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、ＮｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分）の少なくとも一部は、炭化物、炭窒化物、窒化物、酸化物、ホウ化物および酸窒化物の少なくともいずれかであることが好ましい。たとえば、ＴｉＣなどの炭化物、ＴｉＣＮなどの炭窒化物、ＴｉＮなどの窒化物、Ａｌ₂Ｏ₃などの酸化物、ＴｉＢ₂などのホウ化物、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）などの酸窒化物などが挙げられる。上記化学成分の種類は、ＸＲＤ（Ｘ線回折）の回折ピークパターンにより判別する。

本実施形態の複合焼結体は、複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、結合相はコバルトを含み、複合焼結体中における立方晶窒化ホウ素粒子の含有率は３体積％以上４０体積％以下であり、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続した立方晶窒化ホウ素を横切る線分の平均長さを立方晶窒化ホウ素の平均粒径の３倍の長さ以下とし、複合焼結体を通る任意に特定される直線がダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相を横切る線分について、それらの平均長さを０．３μｍ以上５μｍ以下とし、それらの標準偏差を３．０μｍ以下とし、立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径を０．２μｍ以上２μｍ以下とし、ダイヤモンド粒子の平均粒を０．５μｍ以上５μｍ以下とすることができる。かかる複合焼結体は、高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える。

＜複合焼結体の製造方法＞
本実施形態にかかる複合焼結体の製造方法は、特に制限がないが、本実施形態の複合焼結体を効率よく製造する観点から、ダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆することにより結合材被覆ダイヤモンド粉末を形成する第１工程と、ｃＢＮ粉末の各粒子を予備解砕した後に結合材被覆ダイヤモンド粉末と各粒子を予備解砕したｃＢＮ粉末とを混合することにより混合物を形成する第２工程と、混合物を焼結することにより複合焼結体を形成する第３工程と、を備えることが好ましい。

（第１工程）
第１工程において、ダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆することにより結合材被覆ダイヤモンド粉末を形成する。結合材被覆ダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末との混合物を後工程で焼結することにより、本実施形態の複合焼結体が得られる。

第１工程において用いられるダイヤモンド粉末の平均粒径は、特に制限はないが、高強度であり高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を形成する観点から、０．５μｍ以上５μｍ以下が好ましく、０．８μｍ以上２μｍ以下がより好ましい。ダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆する方法は、特に制限はないが、不純物が少なく均一に被覆する観点から、無電解めっき法、アーク蒸着法、粉末スパッタ法などが好ましい。結合材は、高強度であり高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を形成する観点から、Ｃｏに加えて、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、ＮｉおよびＭｏからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む化学成分を含むことが好ましい。結合材は、後工程により、複合焼結体中の結合相を形成する。

第１工程では、ダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部を結合材で被覆する前に、ダイヤモンド粒子の凝集を低減する観点から、ダイヤモンド粉末の各粒子を予備解砕により分散させることが好ましい。すなわち、第１工程は、ダイヤモンド粉末の各粒子を分散させる第１Ａサブ工程と、ダイヤモンド粉末の分散された各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆することにより結合材被覆ダイヤモンド粉末を形成する第１Ｂサブ工程と、を含むことが好ましい。結合材による表面被覆の前にダイヤモンド粉末の各粒子を分散させることにより、結合材被覆ダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末との混合後もダイヤモンド粒子の凝集過多を抑制するとともにダイヤモンド粉末の各粒子と結合材が近くに存在させるため、複合焼結体におけるダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域の大きさを所望の範囲（たとえば０．３μｍ以上５μｍ以下）とすることができる。

第１Ａサブ工程におけるダイヤモンド粉末の各粒子を分散させる方法は、特に制限はなく、超音波分散、ホモジナイザー分散などの方法がある。第１Ｂサブ工程におけるダイヤモンド粉末の分散された各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆する方法は、第１工程におけるダイヤモンド粉末の各粒子の表面の少なくとも一部にＣｏを含む結合材を被覆する方法と同様である。

（第２工程）
第２工程において、ｃＢＮ粉末の各粒子を予備解砕した後に結合材被覆ダイヤモンド粉末と各粒子を予備解砕したｃＢＮ粉末とを混合することにより混合物を形成する。すなわち、第２工程は、ｃＢＮ粉末の各粒子を予備解砕する第２Ａサブ工程と、結合材被覆ダイヤモンド粉末と各粒子を予備解砕したｃＢＮ粉末とを混合する第２Ｂサブ工程と、を含む。ｃＢＮ粉末の各粒子を予備解砕した後に結合材被覆ダイヤモンド粉末と各粒子を予備解砕したｃＢＮ粉末とを混合することにより、ｃＢＮ粒子が凝集せずに（たとえば連続したｃＢＮ粒子を横切る線分の平均長さがｃＢＮ粒子の平均粒径の３倍の長さ以下で）ダイヤモンド粒子および結合相中に分散させることができる。かかる混合物を後工程で焼結することにより、本実施形態の複合焼結体が得られる。また、焼結体中の結合材量を調整する観点から本工程で結合材を添加することもできる。第２工程で結合材を添加する場合は、第１工程を省略することもできるが、第１工程があることが好ましい。

第２工程において用いられるｃＢＮ粉末の平均粒径は、特に制限はないが、高強度であり高耐摩耗性および高耐欠損性を兼ね備える複合焼結体を形成する観点から、２μｍ以下が好ましく、好ましくは１μｍ以下がより好ましい。

第２Ａサブ工程におけるｃＢＮ粉末の各粒子を予備解砕する方法は、特に制限はないが、効率よく均質に解砕する観点から、ボールミルによる解砕、ジェットミルによる解砕、ビーズミルによる解砕、遊星ミルによる解砕などが好ましい。ｃＢＮ粉末の各粒子の予備解砕後の粒径は、ダイヤモンド粉末と混合する前にｃＢＮ粉末の粒子の凝集を低減する観点から、ｃＢＮ粉末の各粒子の平均粒径をＸμｍとするときに、３Ｘμｍ以下が好ましく、Ｘμｍ以下がより好ましい。ｃＢＮ粉末の各粒子の予備解砕後の粒径は、マイクロトラックなどの粒度分布測定器により測定する。

第２Ｂサブ工程における結合材被覆ダイヤモンド粉末と各粒子を予備解砕したｃＢＮ粉末とを混合する方法は、特に制限はないが、効率よく均質に混合する観点から、ボールミル混合、ビーズミル混合、遊星ミル混合、ジェットミル混合などが好ましい。各粒子を予備解砕したｃＢＮ粉末との混合時間は、ｃＢＮ粒子がダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相の領域中に均一に分散させる観点から、長い方が好ましい。各粒子を予備解砕したｃＢＮ粉末との混合時間は、たとえば、ボールミル混合の場合で、５時間以上が好ましく、１０時間以上が好ましく、２０時間以上が好ましい。

また、上記のように、このとき結合材も同時に混合することが可能である。結合材被覆ダイヤモンド粉末の量（すなわちダイヤモンド粉末の量およびダイヤモンド粉末に対する結合材の量）、ｃＢＮ粉末の量、結合材中のＣｏおよび上記化学成分の含有率を調節することにより、複合焼結体中におけるダイヤモンド粒子の所望の含有率、ｃＢＮ粒子の所望の含有率およびＣｏの所望の含有率、ならびに結合相中におけるＣｏの所望の含有率および上記化学成分の所望の含有率が得られる。

（第３工程）
第３工程において、混合物を焼結することにより複合焼結体を形成する。混合物を焼結する条件は、特に制限はないが、効率よく本実施形態の複合焼結体を得る観点から、焼結圧力が好ましくは４ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下であり、より好ましくは６ＧＰａ以上８ＧＰａ以下であり、焼結温度が好ましくは１４００℃以上２０００℃以下であり、より好ましくは１５００℃以上１８００℃以下である。ダイヤモンド粒子の骨格構造を形成するためには焼結時間は長いほうが好ましく、１５分以上６０分以下が好ましい。通常、微粒のダイヤモンド粒子を６ＧＰａ以上および１５００℃以上の高圧高温で長時間焼結すると異常粒成長が生じるが、本実施形態ではｃＢＮ粒子をダイヤモンド格子間に配することで異常粒成長を抑制し、従来より長時間での焼結が可能となる。

（実験例Ｉ）
本実施例は、表１のＮｏ．Ｉ−１〜Ｎｏ．Ｉ−８および表２のＮｏ．Ｉ−９〜Ｎｏ．Ｉ−１６に示すようなダイヤモンド粒子およびｃＢＮ粒子の平均粒径と含有率、結合材の仕込み組成、結合相の含有率および組成を有する複合焼結体を作製し、それらの複合焼結体で切削工具を作製して、インコネル（登録商標）７１８を高速切削したときの刃先の逃げ面摩耗幅を測定し、寿命を評価した。

複合焼結体の作製は、以下のようにして行なった。第１工程の第１Ａサブ工程として、表１および表２に示す平均粒径を有するダイヤモンド粉末の各粒子を超音波分散させた。かかる超音波分散は、スラリー濃度が１０質量％になるように蒸留水にダイヤモンド粉末を投入し、超音波分散機（アズワン社製ＡＳＵ−６）を用いて周波数４０ｋＨｚで１５分間実施した。第１工程の第１Ｂサブ工程として、ダイヤモンド粉末の分散させた各粒子の表面に、無電解めっき法で、結合材としてＣｏをダイヤモンド粒子に対して６質量％被覆した。

その後、第２工程の第２Ａサブ工程として、表１のＮｏ．Ｉ−１〜Ｎｏ．Ｉ−８および表２のＮｏ．Ｉ−９〜Ｎｏ．Ｉ−１６に示すような条件で表１および表２に示す平均粒径を有するｃＢＮ粉末の各粒子の予備解砕を行った。Ｎｏ．Ｉ−１〜Ｎｏ．Ｉ−４は、ｃＢＮ粉末の各粒子の予備解砕をボールミルで実施した。予備解砕条件は、ポットに直径２ｍｍの超硬ボールとｃＢＮ粉末とアセトンとを入れ、２６０ｒｐｍで表１に示す時間解砕した。ここで、超硬ボールの割合は、ｃＢＮ粉末、超硬ボールおよびアセトンの全体に対して３０体積％とした。Ｎｏ．Ｉ−５はｃＢＮ粉末の各粒子の予備解砕をせずにダイヤモンド粉末と混合した。Ｎｏ．Ｉ−６はｃＢＮ粉末の仕込み量を変更することによりｃＢＮ粒子の含有量を変更した。Ｎｏ．Ｉ−１０〜Ｉ−１６は、結合材としてＣｏに加えてＣｏ以外の結合材、あるいはｃＢＮ粒子およびダイヤモンド粒子以外の硬質相を添加した。

次いで、第２工程の２Ｂサブ工程として、上記のようにして得られたＣｏを被覆したダイヤモンド粉末と上記のようにして得られたｃＢＮ粉末とを、ボールミル法で湿式混合して混合物を作製した。ボールミル混合条件は、ポットに直径３ｍｍの超硬ボールとＣｏを被覆したダイヤモンド粉末とｃＢＮ粉末とアセトンとを入れ、２６０ｒｐｍで表１および表２に示す時間混合した。ここで、超硬ボールの割合は、Ｃｏを被覆したダイヤモンド粉末、ｃＢＮ粉末、超硬ボールおよびアセトンの全体に対して３０体積％とした。次いで、粒子表面に付着したガスを除去するために１２００℃で３０分間真空熱処理した。

次に、第３工程として、得られた混合物をＷＣ−６％Ｃｏの超硬合金製円盤とＣｏ箔に接した状態でＴａ（タンタル）製の容器に充填し、ベルト型超高圧高温発生装置を用いて、６ＧＰａの圧力および１６５０℃の温度で３０分間保持して焼結することにより複合焼結体を作製した。

上記焼結によって、焼結体中の結合相の組成は混合物の仕込み組成と若干変わるが、焼結体中のダイヤモンド粒子、ｃＢＮ粒子および結合相の含有率は焼結の溶浸分を予想して仕込み組成や充填構成を設計することで、仕込みにおけるダイヤモンド粉末、ｃＢＮ粉末および結合材の含有率はほぼ同じであった。

作製された複合焼結体の任意に特定される断面をアルゴンイオンビームで研磨し、ＳＥＭ（電子顕微鏡）で複合焼結体の組織を観察したところ、Ｎｏ．Ｉ−１〜Ｎｏ．Ｉ−１６のいずれについても、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部が互いに結合して連続した骨格構造が観察された。また、複合焼結体中のダイヤモンド粒子、ｃＢＮ粒子、結合相およびそれら以外をＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）により判別した。また、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）画像を５０００倍の視野で撮影し、２値化処理により、ｃＢＮ粒子とそれ以外とに判別した。ＳＥＭ画像上に任意に直線を引き、連続したｃＢＮ粒子を横切る線分（１００個以上）の平均長さを算出した。また、上記ＳＥＭ画像から２値化処理により、ダイヤモンド粒子および結合相とそれら以外とに判別し、任意に直線を引き、ダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相を横切る線分（１００個以上）の平均長さおよび長さの標準偏差を算出した。結果を表１および表２にまとめた。

さらに、作製された複合焼結体で、ＳＲＦ４０Ｒ−ＳＴ型（加工径４０ｍｍ）のエンドミルタイプのカッタとＳＮＥＷ０９Ｔ３ＡＤＴＲ−Ｒ型のチップとで構成される切削工具を作製した。作製した切削工具を用いて、外径９５ｍｍの円盤状のインコネル（登録商標）７１８（大同スペシャルメタル株式会社製、溶体化・時効硬化処理材、ロックウエル硬度ＨＲＣ４４、ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）のＥ１１２に規定される粒度番号９の粒度のもの）のワークの上面を切削した。切削条件は、切削速度Ｖｃが３００ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆが０．１５ｍｍ／刃、切込みａｐが０．５ｍｍ、径方向切込みａｅが０．１２ｍｍ、クーラント：ＷＥＴ（エマルジョン２０倍希釈）であった。結果を表１および表２にまとめた。表１中の「寿命」は、逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅が０．１ｍｍを超えた時点のワークの切削長とした。

表１および表２を参照して、Ｎｏ．Ｉ−１〜Ｉ−４、Ｉ−６、Ｉ−７およびＩ−１０〜Ｉ−１５に示すように、複数のダイヤモンド粒子と複数の立方晶窒化ホウ素粒子と残部の結合相とを備え、結合相がコバルトを含み、複合焼結体中における立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下であり、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続した立方晶窒化ホウ素粒子を横切る線分の平均長さが立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径の３倍の長さ以下である複合焼結体により作製された切削工具の寿命（逃げ面の摩耗および／またはチッピングの幅が０．１ｍｍを超えた時点のワークの切削長）は、２．１〜４．４ｍと長かった。このことは、上記複合焼結体が高耐摩耗性および高欠損性を兼ね備えることを意味していた。

Ｎｏ．Ｉ−５およびＩ−１６の複合焼結体は、連続した立方晶窒化ホウ素粒子を横切る線分の平均長さが立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径の３倍の長さ以下でないため、切削工具の寿命が短かった。また、Ｎｏ．Ｉ−８およびＩ−９の複合焼結体は、複合焼結体中における立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下の範囲外であるため、切削工具の寿命が短かった。

（実験例ＩＩ）
Ｎｏ．ＩＩ−１〜Ｎｏ．ＩＩ−７は、表３に示すように組成、含有率および作製条件を変更したこと以外は実験例Ｉと同様にして、複合焼結体および切削工具を作製した。なお、Ｎｏ．ＩＩ−６は、ダイヤモンド粉末の各粒子の表面への結合材被覆前のダイヤモンド粉末の各粒子の分散を実施せず、Ｎｏ．ＩＩ−７はダイヤモンド粉末の各粒子の表面への結合材被覆を実施しなかった。作製された切削工具の寿命評価試験は、切削条件を切削速度Ｖｃが６００ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆが０．１５ｍｍ／刃、切込みａｐが０．５ｍｍ、径方向切込みａｅが０．１２ｍｍ、クーラント：ＷＥＴ（エマルジョン２０倍希釈）としたこと以外は、実験例Ｉと同様に実施した。結果を表３にまとめた。

表３を参照して、Ｎｏ．ＩＩ−１〜ＩＩ−５に示すように、複数のダイヤモンド粒子と複数の立方晶窒化ホウ素粒子と残部の結合相とを備え、結合相がコバルトを含み、複合焼結体中における立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下であり、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続した立方晶窒化ホウ素粒子を横切る線分の平均長さが立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径の３倍の長さ以下であり、ダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相を横切る線分の平均長さが０．３μｍ以上５μｍ以下である複合焼結体は、切削工具の寿命が長かった。

（実験例ＩＩＩ）
Ｎｏ．ＩＩＩ−１〜Ｎｏ．ＩＩＩ−９は、表４に示すように組成、含有率および作製条件を変更したこと以外は実験例Ｉと同様にして、複合焼結体および切削工具を作製した。作製された切削工具の寿命評価試験は、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの正方形板状Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ウメトク株式会社製、ＡＳＴＭ Ｂ３４８ Ｇｒａｄｅ ５）のワークの上面を切削したこと、ならびに、切削条件を切削速度Ｖｃが８００ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆが０．１５ｍｍ／刃、切込みａｐが０．５ｍｍ、径方向切込みａｅが０．１２ｍｍ、クーラント：ＭＱＬが２ｃｍ³／ｈ（ブルーベ純正油）としたこと以外は、実験例Ｉと同様に実施した。結果を表４にまとめた。

表４を参照して、Ｎｏ．ＩＩＩ−１〜ＩＩＩ−８に示すように、複数のダイヤモンド粒子と複数の立方晶窒化ホウ素粒子と残部の結合相とを備え、結合相がコバルトを含み、複合焼結体中における立方晶窒化ホウ素粒子の含有率が３体積％以上４０体積％以下であり、複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続した立方晶窒化ホウ素粒子を横切る線分の平均長さが立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径の３倍の長さ以下であり、ダイヤモンド粒子あるいはダイヤモンド粒子およびそれに隣接する結合相を横切る線分の平均長さが０．３μｍ以上５μｍ以下である複合焼結体は、切削工具の寿命が長かった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (4)

1. 複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、
   前記結合相はコバルトを５０質量％以上の含有率で含み、
   前記複合焼結体中において、前記ダイヤモンド粒子の含有率は３０体積％以上９４体積％以下であり、前記立方晶窒化ホウ素粒子の含有率は３体積％以上４０体積％以下であり、前記結合相の含有率は３体積％以上３０体積％以下であり、
   前記複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続した前記立方晶窒化ホウ素粒子を横切る線分の平均長さは、前記立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径の３倍の長さ以下であり、
   前記立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径は、０．２μｍ以上２μｍ以下であり、
   前記ダイヤモンド粒子の平均粒径は、０．５μｍ以上５μｍ以下である、複合焼結体。
2. 前記複合焼結体を通る任意に特定される直線が前記ダイヤモンド粒子あるいは前記ダイヤモンド粒子およびそれに隣接する前記結合相を横切る線分の平均長さは、０．３μｍ以上５μｍ以下である、請求項１に記載の複合焼結体。
3. 前記複合焼結体を通る任意に特定される直線が前記ダイヤモンド粒子あるいは前記ダイヤモンド粒子およびそれに隣接する前記結合相を横切る線分の長さの標準偏差は、３．０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の複合焼結体。
4. 複数のダイヤモンド粒子と、複数の立方晶窒化ホウ素粒子と、残部の結合相と、を備える複合焼結体であって、
   前記結合相はコバルトを５０質量％以上の含有率で含み、
   前記複合焼結体中において、前記ダイヤモンド粒子の含有率は３０体積％以上９４体積％以下であり、前記立方晶窒化ホウ素粒子の含有率は３体積％以上４０体積％以下であり、前記結合相の含有率は３体積％以上３０体積％以下であり、
   前記複合焼結体を通る任意に特定される直線が連続した前記立方晶窒化ホウ素粒子を横切る線分の平均長さは、前記立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径の３倍の長さ以下であり、
   前記複合焼結体を通る任意に特定される直線が前記ダイヤモンド粒子あるいは前記ダイヤモンド粒子およびそれに隣接する前記結合相を横切る線分について、それらの平均長さが０．３μｍ以上５μｍ以下であり、それらの標準偏差が３．０μｍ以下であり、
   前記立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径は、０．２μｍ以上２μｍ以下であり、
   前記ダイヤモンド粒子の平均粒径は、０．５μｍ以上５μｍ以下である、複合焼結体。

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